News of the Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of SciencesNews of the Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of SciencesИзвестия Кабардино-Балкарского научного центра РАН1991-66392949-194030616110.35330/1991-6639-2025-27-3-55-72FTYFLCSystem analysis, management and information processingСистемный анализ, управление и обработка информацииResearch ArticleThe effect of electromagnetic processes on gyroscope readings in BLDC motorsИсследование влияния электромагнитных процессов BLDC-мотора на показания гироскопаhttps://orcid.org/0009-0004-6272-890XФам ЧонгХ.Pham TrongH.
Russian Federation

аспирант отделения электроэнергетики инженерной школы энергетики

Graduate student in the Electrical power Engineering Department of the School of Energy Engineering

tronghai180598@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4761-72492790-9730ШилинА. А.ShilinA. A.
Russian Federation

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department, Electrical power Engineering Department of the School of Energy Engineering

д-р техн. наук, доцент, профессор отделения электроэнергетики инженерной школы энергетики

shilin@tpu.ruhttps://orcid.org/0009-0002-7267-11215480-9970НгуенМ. Т.NguyenM. T.
Russian Federation

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of Informatics

канд. техн. наук, доцент кафедры информатики

nguen_m@mirea.ruTomsk Polytechnic UniversityТомский политехнический университетРоссийский технологический университет МИРЭАMIREA – Russian Technological Universityru211020252025273VOL 27, NO3 (2025)ТОМ 27, №3 (2025)557225082025Copyright ©; 2025, Pham Trong H., Shilin A.A., Nguyen M.T.Copyright ©; 2025, Фам Чонг Х., Шилин А.А., Нгуен М.Т.2025Pham Trong H., Shilin A.A., Nguyen M.T.Фам Чонг Х., Шилин А.А., Нгуен М.Т.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1991-6639/article/view/306161

The relevance of the work lies in the fact that vibration interference due to the operation of quadrocopter engines remains one of the key reasons for the deterioration in accuracy and stability of drone control systems. This interference, caused by a flux switching motor, can significantly affect the accuracy of accelerometer and gyroscope readings, reducing the overall navigation and stabilisation performance. Therefore, studying the properties of such disturbances and their influence on quadrocopter dynamics is an important and practical task. The objective of this paper is to determine vibration properties caused by flux switching motor, as well as their effect on quadrocopter performance. Methods. The methods of mathematical modelling, spectral analysis and experimental investigations are used in this work. Results. This paper proposes a modification to the quadrocopter model that considers these interferences. Modelling and experimental results confirm that vibration frequency is related to engine control and is present in the thrust force spectrum, which in turn is reflected in the readings from the gyroscope and accelerometer. The necessity of taking vibration noise into account for qualitative synthesis of quadrocopter control systems, as well as the development of new noise-tolerant algorithms is emphasized. Conclusions. Further research could focus on optimising the control architecture to account for the identified spectral interference. It could also involve developing more efficient filters that could deliver high performance and accuracy when noise interference is included.

Актуальность работы заключается в том, что вибрационные помехи, возникающие вследствие работы двигателей квадрокоптера, остаются одной из ключевых причин ухудшения точности и устойчивости систем управления беспилотными летательными аппаратами. Эти помехи, вызванные переключением магнитных потоков в электродвигателях, могут существенно влиять на показания датчиков, таких как гироскопы и акселерометры, что снижает общую эффективность навигации и стабилизации. Поэтому исследование свойств таких помех и их влияния на динамику квадрокоптера является важной и практически значимой задачей. Цель данной работы заключается в определении свойств вибрационных помех, вызванных переключением магнитных потоков в двигателях, и влияния этих помех на работу квадрокоптера. Методы. В работе использованы методы математического моделирования, спектрального анализа и экспериментального исследования. Результаты. В работе предложена модификация модели квадрокоптера, учитывающая эти помехи. Результаты моделирования и экспериментальных исследований подтверждают, что частота вибрации связана с управлением двигателей и присутствует в спектре силы тяги, что в свою очередь отражается на показаниях гироскопа и акселерометра. Подчеркивается необходимость учета вибрационных помех для качественного синтеза систем управления квадрокоптером, а также разработки новых алгоритмов, устойчивых к шумам. Выводы. Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию архитектуры управления с учетом выявленных спектральных составляющих помехи, а также на разработку более эффективных фильтров, которые могли бы обеспечить высокий уровень производительности и точности при условии наличия помех.

BLDC motorspectral componentdisturbancesmathematical expectationquadcoptervarianceBLDC-моторспектральная составляющаяпомехиматематическое ожиданиеквадрокоптердисперсияKurak S., Migdat H. Control and estimation of a quadcopter dynamical model. Periodicals of Engineering and Natural Sciences (PEN). 2018. Vol. 6. No. 1. Pp. 63–75. DOI: 10.21533/pen.v6i1.164Cao N., Alan F.L. Inner–outer loop control for quadrotor UAVs with input and state constraints. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2015. Vol. 2. No. 5. Pp. 1797–1804. DOI: 10.1109/TCST.2015.2505642Azfar A.Z., Hazry D. A simple approach on implementing IMU sensor fusion in PID controller for stabilizing quadrotor flight control. IEEE 7th International Colloquium on Signal Processing and its Applications. Penang. Malaysia. 2011. Pp. 28–32. DOI: 10.1109/CSPA.2011.5759837Khatoon S., Shahid M., Chaudhary H. Dynamic modeling and stabilization of quadrotor using PID controller. International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI). Delhi. India. 2014. Pp. 746–750. DOI: 10.1109/ICACCI.2014.6968383Rinaldi M., Stefano P., Giorgio G. A comparative study for control of quadrotor UAVs. AppliedSciences. 2023. Vol. 13. No. 6. Pp. 3464. DOI: 10.3390/app13063464Belov N.V., Boris B.Ya. Building a mathematical model for controlling UAV altitude and angles of motion. Telecommunications and Information Technologies. 2018. Vol. 5. No. 1. Pp. 100–111. EDN: UROPEO. (In Russian)Белов H. B., Борис Б. Я. Построение математической модели управления высотой и углами движения БПЛА // Телекоммуникации и информационные технологии. 2018. Т. 5. № 1. С. 100–111. EDN: UROPEOOloo J.O. Design of extended kalman filter optimized fuzzy PID controller for a quadcopter in the event of one rotor failure: Dis. JKUAT-COETEC. 2021. 71 p.Kalachev Yu.N. SimInTech: modeling in electric drive. Moscow: DMK Press, 2022. Pp. 26–33. (In Russian)Калачев Ю. Н. SimInTech: моделирование в электроприводе. М.: ДМК Пресс, 2022. C. 26–33.Bahari N.B., Jidin A.B., Abdullah M.N. et al. Modeling and simulation of torque hysteresis controller for brushless DC motor drives. IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications. Bandung, Indonesia. 2012. Pp. 152–155.Myasishchev A.A. Programming ESC controllers with SimonK and BLHeli firmware via Arduino and a flight controller. Electronic resource. 2019. Available at: https://www.researchgate.net/publication/332381105. (In Russian)Мясищев А. А. Программирование ESC регуляторов прошивками SimonK и BLHeli через Arduino и полетный контроллер // Электронный ресурс. 2019. URL: https://www.researchgate.net/publication/332381105Yadav P.M., Gadgune S.Y. Position and speed control of brushless DC motors using sensorless techniques: A review. International Journal of Engineering Research & Technology. 2019. Vol. 8. No. 1. Pp. 62–69.Dasari M., Reddy A.S., Kumar M.V. Modeling of a commercial BLDC motor and control using GA-ANFIS tuned PID controller. International Conference on Innovative Research In Electrical Sciences (IICIRES). Nagapattinam, India. 2017. Pp. 1–6. DOI: 10.1109/IICIRES.2017.8078305Yamashita R.Y., Silva L.M., Santiciolli F.M. et al. Comparison between two models of BLDC motor, simulation and data acquisition. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2018. Vol. 40. ID: 63. DOI: 10.1007/s40430-018-1020-0Ascorti L. An application of the extended Kalman filter to the attitude control of a quadrotor: Dis. Biblioteche e Archivi. 2012. Pp. 45–49.Kiruthika A., Rajan A.A., Rajalakshmi P. Mathematical modelling and speed control of a sensored brushless DC motor using intelligent controller. IEEE International Conference ON Emerging Trends in Computing, Communication and Nanotechnology (ICECCN). Tirunelveli, India. 2013. Pp. 211–216. DOI: 10.1109/ICE-CCN.2013.6528495Hai P.T. Reasearh data for this article. URL: https://github.com/tronghai180598/1_articles (accessed: 30.05.2025).John B. Quadcopter Simulation and Control. Dynamics generated with PyDy. Available at: https://github.com/bobzwik/Quadcopter_SimCon (accessed: 05.10.2024).Cárdenas R.C., Morales C.A.C., Ospina J.P. et al. Mathematical modeling and identification of a quadrotor. Computational Science and Its Applications – ICCSA 2020: 20th International Conference. Cagliari, Italy, July 1–4, 2020, Proceedings, Part I 20. Springer International Publishing. 2020. Pp. 261–275. DOI: 10.1007/978-3-030-58799-4_19Abdelhay S., Alia Z. Modeling of a quadcopter trajectory tracking system using PID controller. Procedia Manufacturing. 2019. Vol. 32. Pp. 564–571. DOI: 10.1016/j.promfg.2019.02.253Nguyen N.P., Ming N.X., Thanh H.l.N.N. et al. Adaptive sliding mode control for attitude and altitude system of a quadcopter UAV via neural network. IEEE Access. 2021. Vol. 9. Pp. 40076–40085. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3064883Hoffmann F., Niklas G., Torsten B. Attitude estimation and control of a quadrocopter. IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2010. P. 10721077. DOI: 10.1109/IROS.2010.5649111Kalachev O. How I developed a quadcopter on ESP32 from scratch, Khabr. Available at: https://github.com/okalachev/flix. (In Russian)Калачев О. Как я разработал квадрокоптер на ESP32 с нуля // Хабр. URL: https://github.com/okalachev/flixOpen Source Autopilot For Drone Developers // PX4. URL: https://github.com/px4/px4-autopilot/ (accessed: 25.06.2024).Zhmud V.A., Kuznetsov K.A., Kondratyev N.O. et al. Accelerometer and gyroscope MPU6050: first inclusion on STM32 and study of readings in statics. Avtomatizatsiya i programmnaya inzheneriya [Automation and software engineering]. 2018. Vol. 3. No. 25. Pp. 9–22. EDN: YALYRF. (In Russian)Жмудь В. А., Кузнецов К. А., Кондратьев Н. О. и др. Акселерометр и гироскоп MPU6050: первое включение на STM32 и исследование показаний в статике // Автоматика и программная инженерия. 2018. № 3(25). Pp. 9–22. EDN: YALYRF